回路穩(wěn)定性測(cè)量逾越PC仿真
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工程師設(shè)計(jì)了在電源、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器或幾乎任何功率電子產(chǎn)品內(nèi)的一個(gè)控制回路以后,必須證實(shí)回路穩(wěn)定性已達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。與在回路上加瞬時(shí)負(fù)載之后進(jìn)行紋波、噪聲、電壓偏移或恢復(fù)時(shí)間測(cè)量不同,你無法用傳統(tǒng)的測(cè)試儀器,如電壓表或示波器,有效地測(cè)試回路穩(wěn)定性。
工程師要使用多種獨(dú)立的儀器或昂貴的專用設(shè)備來進(jìn)行漫長(zhǎng)而又復(fù)雜的測(cè)試,因此他們常常認(rèn)為電路仿真能真實(shí)地反映制成品的特性。然而,盡管一種表面穩(wěn)定的設(shè)計(jì)是以軟件仿真為基礎(chǔ)的,但工程師們卻會(huì)發(fā)現(xiàn),印制電路板寄生電抗、生產(chǎn)中的元器件公差以及正常使用時(shí)的負(fù)載條件變化都會(huì)使制成品達(dá)不到預(yù)期的性能、工作不穩(wěn)定甚至出故障。
軟件仿真雖然是一種有用的工程工具,但它僅僅根據(jù)編程員輸入程序中的信息,對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行近似。因此,用軟件仿真代替實(shí)際測(cè)量是不可靠的。如今,現(xiàn)代儀器技術(shù)為工程師提供的測(cè)試儀器能對(duì)這一關(guān)鍵設(shè)計(jì)特性進(jìn)行直接測(cè)量,而且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。眼下已有一系列經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)可用來簡(jiǎn)化環(huán)路穩(wěn)定性測(cè)試(見附文“控制理論是起步之源”)。
從測(cè)試點(diǎn)開始
在閉路環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際測(cè)試的第一步是注入一個(gè)干擾信號(hào)。為達(dá)到這一目的,就要在環(huán)路中插入一個(gè) 10 Ω~ 100Ω 的電阻器,而所選的插入點(diǎn)要使這個(gè)小電阻產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì),如與反饋電阻串聯(lián)(圖 1)。如果你正在設(shè)計(jì)一塊新印制電路板,最好把這個(gè)電阻器永久性地加到電路板的布局里,這樣就可以在任何時(shí)侯進(jìn)行這些測(cè)試,而不會(huì)打亂電路板布線。
為了有效地測(cè)量注入信號(hào)的相對(duì)增益和相位,測(cè)量?jī)x器必須抑制除注入頻率以外的其它頻率成份。實(shí)現(xiàn)這種抑制的最好辦法,就是在你注入每一個(gè)選定的頻率時(shí),對(duì)在檢測(cè)電阻器高端(即第1通道)和在檢測(cè)電阻器低端(即第2通道)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次 DFT(離散傅立葉變換)(圖 3)。只要在頻率掃描期間直接將經(jīng)過 DFT 處理的 第 1 和 第2 通道的測(cè)量結(jié)果繪制成圖像,你就不必用 PC 進(jìn)行處理就可以得到一個(gè)完整的頻響波德圖。例如,盡管圖 4 所示系統(tǒng)有好的增益裕度和相角裕度,但卻具有很低的增益和交叉頻率,從而在負(fù)載快速變化時(shí)調(diào)整率不佳,穩(wěn)定性降低。與之相反,在滿負(fù)載時(shí),雖然增益裕度比輕負(fù)載時(shí)小,但仍然足夠大,因而在很寬的頻率范圍內(nèi)具有高得多的增益(圖 5)。這一增益使系統(tǒng)即使在負(fù)載快速變化時(shí)仍具有出色的調(diào)整率和更高的穩(wěn)定性。
為了確定某一電源有意義的特性,必須在電源預(yù)期要工作的負(fù)載條件范圍內(nèi)測(cè)量其傳遞函數(shù)(圖 4 和圖 5)。然后,一旦確定了在所選負(fù)載條件下的傳遞函數(shù),你就要考慮設(shè)計(jì)修改對(duì)整個(gè)傳遞函數(shù)內(nèi)極點(diǎn)元素和零點(diǎn)元素的影響,以實(shí)現(xiàn)最佳的總體性能。
一個(gè)極點(diǎn)元素會(huì)引入每十倍程-20 dB 的衰減和負(fù)相移,而零點(diǎn)元素則會(huì)引入每十倍程 20 dB的 衰減和正相移。完整的傳遞函數(shù)包括了控制回路內(nèi)的極點(diǎn)元素和零點(diǎn)元素。幾乎所有系統(tǒng)都會(huì)在較高頻率下出現(xiàn)衰減,因此,傳遞函數(shù)中的極點(diǎn)元素通常多于零點(diǎn)元素。
在圖 4 所示的低端負(fù)載傳遞函數(shù)中,頻率高至增益交叉頻率的衰減是始終如一的,約為每十倍程 20 dB,這表示存在一個(gè)主極點(diǎn)。雖然為了說明主題,圖 1 沒有畫出電源的完整原理圖,但你要考慮到這一主極點(diǎn)是與控制回路中誤差放大器級(jí)的電容相關(guān)的。減少該級(jí)內(nèi)的這一電容值,就會(huì)增加極點(diǎn)頻率,進(jìn)而提高增益,從而改善低頻調(diào)整率。與這一修改相關(guān)的傳遞函數(shù)變化,會(huì)影響所有負(fù)載條件下的增益和相位,所以你必須在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)反復(fù)進(jìn)行測(cè)試,以確保增益裕度和相位裕度都保持在目標(biāo)限度內(nèi)。
盡管在控制回路設(shè)計(jì)的早期,PC 仿真是一種有價(jià)值的工具,但設(shè)計(jì)師只有對(duì)已完成的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,才能真正了解真實(shí)的控制回路特性。如今,現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器已能提供一種準(zhǔn)確而又經(jīng)濟(jì)的手段來應(yīng)付這一挑戰(zhàn)。
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附文:控制理論是起步之源
控制回路理論闡述了隨時(shí)間變化的系統(tǒng)的行為。為了簡(jiǎn)要復(fù)習(xí)基礎(chǔ)原理,現(xiàn)在考慮這一理論的最常見實(shí)例之一,即電源內(nèi)的控制回路(圖 A)。
一臺(tái)穩(wěn)壓電源應(yīng)為負(fù)載提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓,為了實(shí)現(xiàn)這一目的,電源在不斷變化的負(fù)載條件下,必須能調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性來保持所需的輸出電壓。你可以用一個(gè)控制回路來實(shí)現(xiàn)這種調(diào)節(jié)。這種控制回路將電源輸出的一部分反饋回去,與一個(gè)已知的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較。然后,利用比較產(chǎn)生的誤差信號(hào)來調(diào)整電源系統(tǒng)的增益,從而就能保持所需的輸出電壓。
評(píng)論